航空发动机低压涡轮转子故障分析

沈阳黎明航空发动机有限责任公司 沈阳 110043

1 研究背景

航空发动机为飞机提供动力[1-4],是一种高度复杂的热力机械,其工作可靠性直接关系到飞行安全,体现了一个国家的科技、工业和国防实力[5-8]。低压涡轮转子是航空发动机中的四大核心转子之一,经过3 000 h使用后各零件存在不同程度的磨损、变形[9],需要进行大修。低压涡轮转子典型故障有蜂窝组件中蜂窝环磨损超差、封严环配合止口尺寸磨损超差、密封跑道腐蚀等,笔者分析低压涡轮转子典型故障产生的机理和原因,提出故障排除措施,进而提高低压涡轮转子的工作可靠性。

2 低压涡轮转子结构

如图1所示,低压涡轮转子主要由低压涡轮一级盘、低压涡轮二级盘、封严环、低压涡轮轴、蜂窝组件、密封跑道等组成。其中,封严环与低压涡轮一级盘、低压涡轮二级盘通过配合止口定位,封严环通过低压涡轮一级盘上的销实现周向定位,低压涡轮一级盘、低压涡轮二级盘、低压涡轮轴通过双头螺栓连接,低压涡轮轴、蜂窝组件、密封跑道通过螺钉连接。

图1 低压涡轮转子结构

3 蜂窝组件中蜂窝环磨损超差故障

3.1 原因分析

蜂窝组件是低压涡轮转子的一部分,与高压涡轮转子篦齿配合接触,形成密封腔体,共同起密封作用。据统计,蜂窝组件中蜂窝环磨损超差是航空发动机低压涡轮转子大修时面临的主要故障之一,故障率高达100%,有效解决蜂窝组件中蜂窝环磨损超差故障成为提高低压涡轮转子工作可靠性和降低修理成本的关键。

在航空发动机工作过程中,由于发动机振动,高压涡轮转子以高压涡轮转子支撑点连线为中心线进行偏心转动,低压涡轮转子以低压涡轮转子支撑点连线为中心线进行偏心转动,高压涡轮转子和低压涡轮转子偏心角和偏心幅值不相同,高压涡轮转子篦齿切入低压涡轮转子蜂窝组件中,导致蜂窝组件中蜂窝环磨损超差。同时,在发动机工作过程中,低压涡轮转子在轴向上有窜动,蜂窝组件的整个蜂窝环面被高压涡轮转子磨损。

3.2 故障排除措施

通过对蜂窝组件更换磨损蜂窝环的方法,使其满足与高压涡轮转子篦齿配合的要求,排除蜂窝组件中蜂窝环磨损超差故障。经过蜂窝组件壳体材料拉伸、弯曲、疲劳、金相等性能试验,对磨损蜂窝环去除方法、蜂窝环重新钎焊、壳体材料硬度检测跟踪等进行研究[10],提出具体故障排除步骤:车削蜂窝组件中磨损蜂窝环,打磨壳体上残留的钎焊层,钎焊新蜂窝环,时效处理,磨削新蜂窝环,荧光检查,蜂窝组件平衡。故障排除前后蜂窝组件对比如图2所示。

图2 故障排除前后蜂窝组件对比

4 封严环配合止口尺寸磨损超差故障

4.1 原因分析

封严环是低压涡轮转子的重要组成部分,夹在低压涡轮一级盘、低压涡轮二级盘之间,起封严作用,与低压涡轮一级盘通过止口定位。航空发动机大修时,封严环与低压涡轮一级盘配合止口尺寸磨损超差是主要故障之一,故障率高达98%,有效解决封严环与低压涡轮一级盘配合止口磨损超差故障,同样是提高低压涡轮转子可靠性和降低修理成本的关键。

在航空发动机工作过程中,由于发动机振动、封严环周向热变形、封严环与低压涡轮一级盘周向相对微动等原因,封严环与低压涡轮一级盘配合面相互摩擦,导致配合面尺寸磨损。由于封严环轴向热变形,封严环两端受到低压涡轮一级盘、低压涡轮二级盘的压力,封严环中部径向向外撅起,两端径向向内变形,造成封严环与低压涡轮一级盘配合止口尺寸变小。以上两方面原因导致封严环与低压涡轮一级盘配合止口尺寸磨损超差故障。

4.2 故障排除措施

通过对封严环与低压涡轮一级盘配合止口采用化学镀镍修复方法,使两者满足配合要求,排除封严环配合止口尺寸磨损超差故障。测量封严环与低压涡轮一级盘配合面磨损后的尺寸,根据实际需求,计算镀镍层厚度。对除配合面外的部分进行涂胶保护,镀镍前对配合面进行吹砂处理。将保护好的封严环放入配好的槽液中进行化学镀镍,测量封严环与低压涡轮一级盘配合面镀镍后的尺寸,保证封严环满足与低压涡轮一级盘的配合要求。故障排除前后封严环对比如图3所示。

图3 故障排除前后封严环对比

5 密封跑道腐蚀故障

5.1 原因分析

密封跑道是低压涡轮转子的组成部分,密封跑道表面一部分为镀铬层,为石墨密封环提供支撑座,表面其余部分为镀镍层,防止基体腐蚀。航空发动机大修时,镀镍层表层腐蚀是密封跑道产生的主要故障,故障率约为20%。可见,密封跑道腐蚀故障亟需解决。

密封跑道的基体采用40CrNiMo材质制造而成,受材质自身特性影响,密封跑道较容易腐蚀,于是采用镀镍层防止基体腐蚀。在航空发动机工作过程中,有较多油气通过密封跑道,特别是在海洋环境中工作的航空发动机,密封跑道更容易发生镀镍表层腐蚀故障。

5.2 故障排除措施

采用对表层腐蚀的密封跑道修理镀镍层的方法,排除密封跑道腐蚀故障,具体故障排除步骤为,首先对表层腐蚀的密封跑道通过化学方法去除镀镍层,腐蚀点较深处通过手工搓磨的方法对腐蚀点进行修理,直至排除腐蚀痕迹;然后进行表面吹砂处理,再重新镀镍。

6 结束语

笔者分析了航空发动机低压涡轮转子典型故障,通过对蜂窝组件更换磨损蜂窝环的方法,使其满足与高压涡轮转子篦齿的配合要求,排除蜂窝组件中蜂窝环磨损超差故障。通过对封严环与低压涡轮一级盘配合止口采用化学镀镍修复的方法,使两者满足配合要求,排除封严环配合止口尺寸磨损超差故障。通过对表层腐蚀的密封跑道重新修理镀镍层的方法,排除密封跑道腐蚀故障。通过故障处理,提高了航空发动机低压涡轮转子的工作可靠性。